宫明龙-控制轧制课件第九课

1,9.2.3钢筋的控制轧制和控制冷却,2,（1）按轧制外形分光面钢筋：I级钢筋（Q235钢钢筋）均轧制为光面圆形截面，供应形式有盘圆，直径不大于10mm，长度为6m12m。带肋钢筋：有螺旋形、人字形和月牙形三种，一般、级钢筋轧制成人字形，级钢筋轧制成螺旋形及月牙形。钢线（分低碳钢丝和碳素钢丝两种）及钢绞线。冷轧扭钢筋：经冷轧并冷扭成型。（2）按直径大小分钢丝（直径35mm）、细钢筋（直径610mm）、粗钢筋（直径大于22mm）。（3）按力学性能分级钢筋（235/370级）；级钢筋（335/510级）；级钢筋（370/570）和级钢筋（540/835）（4）按生产工艺分热轧、冷轧、冷拉的钢筋，还有以级钢筋经热处理而成的热处理钢筋，强度比前者更高。（5）按在结构中的作用分：受压钢筋、受拉钢筋、架立钢筋、分布钢筋、箍筋等。,3,钢筋轧后控制冷却的工艺特点及其基本原理,（1）可以在轧制作业线上，通过控制冷却工艺，强化钢筋，代替重新加热进行淬火、回火的调质钢筋。利用控制冷却强化钢筋与一般热处理强化钢筋比较，由于利用轧制余热，不需要重新加热，节约了燃料及热量消耗，缩短生产周期，提高生产率降低了生产高强度钢筋的成本，而且还具有更高的综合力学性能。其原因在于：在利用轧制余热淬火之前已发生奥氏体再结晶，使晶粒细化，奥氏体晶界的位置已经改变，新晶界的形成时间又很短，杂质原子还来不及向晶界偏聚，因而改善了低温力学性能。在轧制后淬火前尚未发生奥氏体再结晶情况下，保持着低温形变热处理对低温力学性能的良好影响。,4,钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理,（2）选用碳素钢和低合金钢，采用轧后控制冷却工艺，可生产不同强度等级的钢筋，从而可能改变用热轧按钢种分等级的传统生产方法，节约合金元素，降低成本以及方便管理。设备简单，对于一般老式横列式型钢轧机不用改动轧制设备，只需在精轧机后安装一套水冷设备。在某些情况下，为了控制终轧温度或控制轧制而在中间轧机或精轧前安装中间冷却或精轧预冷装置。（3）添加微合金元素成本高，大规格钢筋,5,400MPa级的级钢筋的生产工艺目前主要有三种，1、在20MnSi中加入微量合金元素钒（或铌、钛），即进行成分控制，通过加入微合金元素来控制晶粒大小，从而提高热轧螺纹钢筋性能。但是，加入合金元素将提高生产成本，不利于市场竞争。2、控轧控冷的方法，钢筋的控轧控冷是通过控制钢材在轧制过程中的温度变化和轧后冷却过程的工艺参数，以得到细小均匀的相变组织，从而获得强度、塑性、韧性均好的优良产品。用水代替合金元素的作用，可节约合金元素，显著降低生产成本；同时可简化工序，降低能耗，具有显著的经济效益和社会效益。3、轧后热处理,6,9.2.3.1钢筋的开发1、钢筋轧后余热淬火工艺：三个过程,第一阶段：表面淬火阶段(急冷段)，钢筋离开精轧机在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却。其冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火马氏体的临界速度。钢筋表面温度低于马氏体开始转变点(Ms)，发生奥氏体向马氏体相转变。该阶段结束时，心部温度很高，仍处在奥氏体状态。表层则为马氏体和残余奥氏体组织。表面马氏体层的深度取决于强烈冷却持续时间。,7,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,图1Tempeore(表面预先淬火)工艺及其与CCT曲线的关系,8,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,第二阶段：自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷却。此时钢筋各截面内外温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行自回火。根据自回火温度不同，可以转变为回火马氏体或回火索氏体。而表层的残余奥氏体转变为马氏体。同时邻近表层的奥氏体根据钢的成分和冷却条件不同而转变为贝氏体、屈氏体或索氏体组织。而心部仍处在奥氏体状态。,9,钢筋轧后控制冷却工艺：三个过程,第三阶段：为心部组织转变阶段，钢筋在冷床上空冷一定时间后，断面上的热量重新分布，温度趋于一致，同时降温。此时心部由奥氏体转变为铁素体和珠光体或铁素体、索氏体和贝氏体。心部产生的组织类型取决于钢的成分，钢筋直径，终轧温度和第一阶段的冷却效果和持续时间。轧后控制冷却对钢筋性能的主要影响因素为终轧温度、第一阶段冷却速度和持续时间及钢的化学成分。除钢的化学成分外，其他的各个因素决定了自回火温度。而自回火温度很大程度上决定了钢筋的力学性能。,10,2、控制控冷东北大学高秀华老师研究钢20MnSi的化学成分(质量分数,%)为:012%C，1.44%Mn,1.47%Si,0.028%S,0.023P。,11,12,工艺1:整个轧制过程按常规进行轧制,但在终轧后进行穿水冷却替代空冷。20MnSi螺纹钢筋的终轧温度为1050,轧后控冷的第1阶段是轧后立即进行快冷,使轧件快冷到相变温度800左右,防止相变前奥氏体晶粒的长大。第2阶段是在800时减少水流量,降低冷却速度,将冷却速度控制在15/s以下,避免奥氏体向马氏体转变从而降低轧件的性能,此时的组织为铁素体、珠光体,冷却到500,进行第3阶段的空冷。以这种工艺得到的钢筋的屈服强度平均为450MPa,抗拉强度为650MPa。工艺2:降低各道次的轧制温度,并在中轧机组和精轧机组之间加入冷却水,使精轧在未再结晶区进行。开轧温度由原来的11501180降至10501120,粗轧和中轧过程按常规进行轧制,中轧机组的轧后温度为990,使钢坯在较低的温度下进行粗轧和中轧以细化奥氏体晶粒,然后在中轧机组与精轧机组之间增设了强制冷却器,使钢筋迅速冷却到再结晶温度以下,在未再结晶区(800左右)进行精轧,终轧后轧件温度在860左右,轧后空冷。,13,9.2.3.2三级钢筋控制控冷应用1.韶钢,14,9.3.2三级钢筋控制控冷应用1.韶钢,15,9.3.2三级钢筋控制控冷应用1.韶钢,2、南昌钢铁3.水城钢铁,16,9.3高速线材轧机机组的控轧控冷工艺,17,概述,线材一般是指直径为516mm的热轧圆钢或相当该断面的异型钢，因以盘卷状态交货，统称为线材或盘条。国外线材规格已扩大到50mm。常见线材多为圆断面，异型断面线材有椭圆形、方形及螺纹形等，但生产数量很少。线材品种按化学成分分类，一般分为低碳线材（称软线）、中高碳线材（硬线），还有低合金与合金钢线材、不锈钢线材及特殊钢线材（轴承、工具、精密等）几大类。量大面广的品种属碳素钢线材，占线材总量的8090。,18,一般将轧制速度大于40m/s的线材轧机称为高速线材轧机。高速线材轧机的生产工艺特点：连续、高速、无扭和控冷。其中高速轧制是最主要的工艺特点（此外，单线、微张力、组合结构、碳化钨辊环和自动化）。高速线材产品特点：盘重大、精度高、性能优。,19,线材在国民经济中的作用与地位较重要，是不可或缺的重要品种。首先，线材产量占钢材总产量的比例很大，一般线材产量占钢材总产量的810%，而我国占20以上；其次，线材用途遍布国民经济各个部门，除直接用作建筑钢材外，线材的深加工产品用途更为广泛和重要，例如各类商品钢丝及专用弹簧钢丝、焊丝、冷激钢丝、镀锌钢丝、通讯线、轮胎钢丝及钢帘线、高强度钢丝及钢绞线、轴承钢丝、工具钢丝、不锈钢丝、各种钢丝绳、钢钉、标准件等等。发达国家线材加工比在70左右，我国为30左右。,20,轧制速度是高速线材轧机发展水平的标志，按照轧制速度可将现代轧机分为如下几代：第一代，19661969年，轧制速度4350m/s；第二代，19701975年，轧制速度5060m/s；第三代，19761978年，轧制速度6175m/s；第四代，19791980年，轧制速度7580m/s；第五代，19811985年，轧制速度80100m/s；第六代，1986年以后，轧制速度100120m/s。,21,据不完全统计，目前世界上有近300条高速线材轧机，其中高速无扭线材轧机约260套（摩根式占170套），年产线材约7000万吨。其中高线产量约占80以上，线材产量占钢材总产量910。各国的输出量与输入量平均在20左右。美国是世界上最大的线材输入国，每年线材消费量约800万吨，而本国每年只生产400450万吨，输入量占4050%；日本是世界上线材输出量最大国，每年线材产量约750万吨，输出量约200万吨；世界上线材产量最大的国家是中国，2004年线材实际产量为4940万吨（其中1/3以上的线材，是复二重轧机生产的）,国内外线材生产现状,22,目前我国拥有线材轧机近110套，其中复二重轧机占一半，横列式线材轧机有近30套（将逐步被淘汰）；其余40多套属于高速线材轧机，其中从国外引进的高水平线材轧机有20多套，国产高速线材轧机有近20套。2004年，全国线材生产中，高线比已经超过55%；但优质硬线比约10%，精炼比不到30。,23,复二重,24,（l）1986年前，无高速线材轧机，高线比为零；线材自给率为60。国内线材缺口很大，每年进口线材200300万吨。国产线材质量较差，盘重小、化学成分不稳定、表面质量差、尺寸公差大、性能也较差等。（2）19881992年，国产线材有很大改观，高线比近30%，线材自给率达100%，进口逐年减少，出口逐年增加，历史性变化的1991年，线材出口大于进口。（3）19931994年，国产线材大幅增长，但满足不了国民经济迅猛增长的需求，造成线材大量进口，线材自给率降到历史最低点57。（4）19951999年，国产线材年净增长200万吨以上，高速线材产量逐年大幅度提高，到1999年高线比达46.7%，这又是一个可喜变化。,25,我国虽然是线材生产大国，但还不能说是线材生产强国。目前我国还有部分线材品种仍然依靠进口维持生产、如钢帘线、高应力弹簧钢、不锈钢等线材。在重要用途线材实物质量方面，与发达国家仍有较大差距。,品种质量差距,26,差距主要表现在以下方面：（l）化学成分。国外线材波动小且稳定，C%一般波动在3个范围；国内在68个范围，头尾偏析更严重。（2）表面质量主要表现在脱碳层深度方面，国产一般为0.0230.14mm，最深为0.230.35mm；国外一般0.020.05mm。(3）金相组织。进口线材实测奥氏体晶粒度为56级，很均匀，索氏体一般85以上。国产线材奥氏晶粒度27级，很不均匀，索氏体一般达不到85%，(4）非金属夹杂。国产线材夹杂多且颗粒很大，尤其是A12O3颗粒最长达133m，一般为50m，进口国外线材最大30m，一般8m左右。(5）钢中气体含量也普遍比国外线材高，H、O、（N一般比国外线材高12倍甚至更高。,理化性能差距,27,其它差距,主要表现为线材在钢材中的比例、控冷线材比、硬线比、合金线材比、制品用线材比、线材直径、大规格盘条、盘重、减面率、氧化铁皮量、散捆率、尺寸偏差、不圆度、通条屈服应力差、含碳量、含磷量、含硫量等方面。,28,高速线材轧机的发展,29,高线轧机的发展,目前世界上应用最广泛的摩根型高速无扭轧机是美国摩根（Morgan）公司1962年开始研制的，1966年首先应用于加拿大钢铁公司哈密尔顿（Hamilton）厂，其轧制速度4350m/s。同时摩根公司和加拿大斯太尔摩(Stelmo）公司联合开发了线材轧后控制冷却系统，称之为斯太尔摩线。摩根新式精轧机发展经历了6个阶段，精轧机的轧制速度从第I代的43m/s，到第代的100m/，提高了1.3倍。,30,高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性，继美国之后，其他一些国家和公司也纷纷创新高速线材轧机，出现了各种机型，目前基本上有四种：1）45的美国摩根型；2）15/75的德国德马克（Demak）型；3）顶交45的英国阿希洛（Ashlow）型；4)0/90平立布置的达涅利（Danili）型。各种机型各有优点，但基本工艺特点差异不大，其中摩根机型应用最广泛。,31,现代高线轧机技术新进展,(l）无扭精轧机组。其发展趋势如下：降低机组重心，降低传动轴高度，减少机组的震动；强化轧机，增加精轧机组的大辊径轧机的数量；改进轧机调整性能。（2）采用控温轧制与低温轧制。（3）高精度轧制设备。,32,9.3.2线材轧后控制轧制控温轧制优点：减少脱碳，控制晶粒尺寸，改善冷变形性能，控制抗拉强度，及显微组织，简化热处理工艺控温轧制的几种变形制度：（1）二阶段变形制度（2）三阶段变形制度（3）铁素体区轧制（4）形变诱导铁素体相变过程,33,一般线材轧后控制冷却过程可分为三个阶段，第一阶段目的：为相变作组织准备及减少二次氧化铁皮生成量。一般采用快速冷却，冷却到相变前温度，此温度称为吐丝温度；第二阶段为相变过程，目的：控制相变产物。主要控制冷却速度；第三阶段相变结束，除有时考虑到固溶元素的析出采用慢冷外，一般采用空冷。线材控制冷却的基本方法是：首先让轧制后的线材在导管（或水箱）内用高压水快速冷却，再由吐丝机把线材吐成环状，以散卷形式分布到运输辊道（链）上，使其按要求的冷却速度均匀风冷，最后以较快的冷却速度冷却到可集卷的温度进行集卷、运输和打捆等。,9.3.3线材轧后控制冷却目的：所要求的组织与性能，性能均匀和减少二次氧化铁皮的生成量，为了减少二次氧化铁皮量，要求加大冷却速度。9.3.3.1线材轧后控制冷却三个阶段,34,不同钢种冷却工艺不同，相同钢种用途不同工艺也不同：一般而言1、一般用途低碳钢丝和碳素焊条钢盘条一般用于拉拔加工。要求：低的强度及较好的延伸性能。硬化原因：即铁素体晶粒小及铁素体中的碳过饱和。1）为了得到比较大的铁素体晶粒，就需要有较高的吐丝温度以及缓慢的冷却速度，先得到较大的奥氏体晶粒。2）铁素体中过饱和的碳，可以以两种形式存在：一种是固溶在铁素体中起到固溶强化作用；另一种是从铁素体中析出起沉淀强化作用，两者都对钢的强化起作用。但对于低碳钢来说，沉淀强化对硬化的影响较小，因此必须使溶于铁素体中的过饱和碳沉淀出来。可以通过整个冷却过程的缓慢冷却得到实现。工艺要求：高温吐丝，缓慢冷却，,35,2、含碳量为0.2%-0.4%的中碳钢，通常用于冷变形制造紧固件。尤其是冷镦钢：既要求有足够的塑性，又要求有一定的强度。工艺：较慢的冷却速度，高温吐丝,3、对于含0.35%-0.55%的碳素钢，目的：得到细片状珠光体以及最少的游离铁素体，要求：Ar3和Ar1温度之间的时间尽可能短，以抑制先共析铁素体的析出。工艺：采用大的风量和高的运输速度，随后以适当的冷速，使线材最终组织由心部至表面都成为均匀的细珠光体组织。4、对于含0.6%-0.85%的高碳钢，目的：索氏体组织。要求：较高的冷却速度，以强制风冷来抑制先共析相的析出，同时使珠光体在较低的温度区形成，这样就可得到细片小间距的珠光体一索氏体。这种组织具有优良的拉拔性能，适用于深拉拔加工。,36,37,38,9.3.3.2线材控制冷却工艺的类型工艺布置和设备特点分为三类：一、采用水冷加运输机散卷风冷（或空冷），较典型的工艺有美国的斯太尔摩冷却工艺、英国的阿希洛冷却工艺、德国的施罗曼冷却工艺意大利的达涅利冷却工艺等；二、水冷后不用散卷风（空）冷，而用其他介质或用其他布圈方式冷却，诸如ED法和EDC法沸水冷却、流态床冷却、DP法竖井冷却及间歇多段穿水冷却等等。三、马氏体法，表面马氏体化+自回火,39,1、斯太尔摩控制冷却工艺斯太尔摩控冷工艺最大的特点：为了适应不同钢种的需要，具有三种冷却形式，这三种类型的水冷段相同，它依据运输机的结构和状态不同而分为标准型冷却、缓慢型冷却和延迟型冷却。,冷却工艺线为：,40,水冷段,41,1、标准型冷却运输机上方是敞开的，吐丝后的散卷落在运动的输送链上由下方风室鼓风冷却。，其运输速度为0.25-1.4m/s冷却速度为4-10，它适用于高碳钢线材的冷却。,风冷段-散卷运输机,42,2、缓慢性型冷却是为了满足标准型冷却无法满足的低碳钢和合金钢之类的低冷速要求而设计的。与标准型冷却的不同之处是在运输机前部加了可移动的带有加热烧嘴的保温炉罩，缓慢冷却斯太尔摩运输机的运输速度为0.05-1.4m/s，冷却速度为0.25-10/s.它适用于处理低碳钢、低合金钢及合金钢之类的线材。,43,3、延迟性型冷却延迟型冷却是在标准型冷却的基础上，结合缓慢型冷却的工艺特点加以改进而成。在运输机的两侧装上隔热的保温层侧墙，并在两侧保温墙上方装有可灵活开闭的保温罩盖.当保温罩盖打开时，可进行标准型冷却；若关闭保温罩盖，降低运输机速度，又能达到缓慢型冷却效果，它比缓慢型冷却简单、经济。由于它在设备构造上不同于缓慢型，但又能减慢冷却速度，故称其为延迟型冷却。运输速度为0.05-1.4m/s，冷却速度为1-10/s.它适用于各类钢种。,44,斯太尔摩冷却工艺的优点是：（1）冷却速度可以人为控制，这就容易保证线材的质量；（2）与其他各种控制冷却工艺相比，斯太尔摩工艺较为稳妥可靠，三种类型的控制冷却方法适用的生产范围很大，基本上能满足当前现代化线材生产的需要；（3）设备不需要深的地基。斯太尔摩冷却工艺的缺点是：（1）投资费用较高，占地面积较大，（2）风冷区线材降温主要依靠风冷。因此，线材的质量受气温和湿度的影响大；（3）由于主要依靠风机降温，线材二次氧化较严重。,45,2、阿西洛控制冷却工艺,水冷段,46,风冷段80m，28台风机，冷却速度1-20/s冷却方法：三类，快速冷却，间歇式冷却，慢速冷却,47,施罗曼控制冷却工艺是在斯太尔摩控冷工艺的基础上发展起来的。与斯太尔摩工艺相比，施罗曼工艺作了两项较大的改革：（1）改进了水冷装置，强化了水冷能力，使轧件一次水冷就尽量接近理想的转变温度，从而达到简化二次冷却段的控制和降低生产费用的目的；（2）